一種雙鏈路海洋觀測數據傳輸系統研究

王曉瑞，吳永芳，李鵬輝，陳艷云，熊金蓮，張學靈

（國家海洋信息中心，天津 300171）

海洋占據了地球表面積的71%，蘊藏著豐富的能源、礦產和生物等資源，對緩解資源緊缺、保障國家安全和調節全球氣候具有重要作用[1-2]。海洋觀測數據的獲取是開發海洋、利用海洋和保護海洋的重要依據[3]。我國作為海洋大國，擁有299.7萬km2的海洋國土面積和綿長的大陸海岸線、島嶼岸線。同時，我國也是世界上遭受海洋災害最嚴重的國家之一。隨著海洋經濟的快速發展，沿海地區海洋災害風險日益突出，海洋防災減災形勢十分嚴峻[4]。海洋觀測數據的獲取是海洋預報及海洋災害預警的基礎，對防災減災具有非常重要的意義[5]。海洋預報依賴于觀測數據的實時、連續獲取，對時效性要求很高。為合理開采資源、防災減災、保障沿海安全，海洋觀測數據的穩定、快速傳輸顯得尤為重要。

1 海洋觀測數據傳輸現狀

我國海洋觀測業務工作經幾十年的發展，逐步形成了海洋站、雷達（分為地波雷達和X 波雷達）、浮標、志愿船、GNSS 等組成的海洋立體觀測網，分北、東、南三個海區，基本覆蓋了我國近岸、近海及部分重點關注海域，實時數據獲取頻次已達分鐘級[6]。其中海洋站數據按采集頻率分為分鐘數據（每分鐘生成）、整點數據（每小時生成）及正點數據（每6 h生成），GNSS數據每小時生成1 個，其余類型數據采集時間間隔為20 min~1 h不等。由此看來，海洋站分鐘數據的生成頻率最高，每個海洋站每天可生成文件1 440個。

針對海洋觀測數據傳輸業務，已建成地面網，該網絡為四層網絡架構，將網絡節點分為國家、海區、中心站和海洋站四級，各節點間通過專線連接。除因地理位置等原因不具備搭建專線鏈路條件的極少數站點外，地面網覆蓋了幾乎所有站點。各節點內部建有局域網，網絡結構較為相似（圖1）。

圖1 節點內部網絡示意圖

基于地面網結構，海洋觀測數據傳輸流程采用“海洋站-中心站-海區-國家”自下而上分級傳輸的業務體系。由于地面網具有傳輸穩定、丟包率小和全雙工等優勢，在海洋觀測數據傳輸中得到了廣泛應用。但地面網故障時，會嚴重影響海洋觀測數據傳輸，而海洋觀測數據用于預報減災，尤其是處于汛期時，對傳輸時效性有著較高要求。因此，添加合適的備用鏈路，可以保證在地面網故障修復期間數據的連續不間斷傳輸。

2 現有無線通信方式

北斗短報文通信由國內自主研發，具備安全性高，通信抗干擾強等優點[7]，在國防軍事、自然災害監測、海洋及陸地邊遠地區預警信息發布等領域已得到廣泛的應用[8]，但是民用通信一次最多僅可傳送120 個字節的信息[9]。VSAT 衛星通信具有覆蓋范圍廣、系統組網靈活、可擴展性強等優點，且不受距離、復雜地形限制[10]，但是傳輸延時較大，費用成本高，且受天氣影響嚴重[11]。微波通信具有容量大、建設周期短、成本低等優點[12]，但微波通信主要應用在視距內通信，且易受類光性和極化性限制[13]。4G VPDN 數據傳輸速度快，抗干擾性強，并且采用隧道驗證、身份驗證等嚴格的認證系統和授權機制，安全性高[14]，另外，接入方式簡單、無須布線施工，成本低[15]，但是對位于島上等位置偏遠的站點，4G 基站信號可能覆蓋不到或信號不穩定。

3 雙鏈路海洋觀測數據傳輸系統

本文開展了基于IP 網絡的雙鏈路海洋觀測數據傳輸系統研究，并以地面網和4G VPDN 為例，即以地面網為主鏈路，4G VPDN 無線通信方式為備份鏈路，驗證了系統的可行性。實際應用中可對系統進行擴展，根據應用場景和各無線通信方式的特點，選擇適用的鏈路。例如4G 信號覆蓋不到或不穩定的站點，可選擇VSAT 作為備份鏈路。數據傳輸系統基于Socket 協議進行設計，共包含傳輸業務管理、文件發現、文件發送與接收和鏈路切換等模塊。

3.1 傳輸業務管理模塊

傳輸業務管理模塊作為數據傳輸子系統的核心部分，起到軟件框架的作用。其中，業務流程管理采用消息機制，管理其他各個模塊的運行事件消息，啟動、終止其他模塊功能的運行，并為其傳遞消息。任務模型采用自定義的數據結構，描述如本節點需要將何種數據文件傳輸給哪個節點等全部數據傳輸的業務。配置文件管理本地的配置文件，在系統啟動時讀取本地配置文件形成任務模型，在接收到調度指令時按新的任務模型更新本地配置文件。

3.2 文件發現模塊

文件發現模塊通過對操作系統的文件變動消息進行監聽，實現對本地磁盤文件的實時監控。為在高頻次數據文件生成的條件下保證不丟失監控信息，采用完成端口機制，將操作系統的消息綁定至完成端口；收到文件變動消息后，監控該文件的寫入完成狀態，以保證不讀取“臟數據”。文件信息提取是對該消息進行解碼，提取變動文件的路徑、文件名、變動類型、變動時間等信息。消息過濾是將提取到的信息與本地任務模型進行匹配，過濾出需要進行處理的文件，并以消息形式通知傳輸業務管理模塊。

3.3 文件發送與接收模塊

文件發送與接收設計如圖2 所示，模塊采用多線程的Socket 傳輸模式，通過鏈路管理管理多個數據發送/接收線程。系統啟動后，即開啟端口監聽線程，等待其他節點的接入。為最大化利用硬件資源，同時避免軟件空轉造成的“假死”現象，采用完成端口機制進行線程管理。當有節點接入時，鏈路管理將該接入綁定至空閑的數據接收線程上，并啟動數據接收；當有數據需要發送時，鏈路管理啟動空閑的數據發送線程，連接遠程的數據接收節點。通過自定義通信協議，本部分將數據文件封裝為特定格式的數據包進行發送和接收。同時，該協議支持將調度指令按相同格式封裝為數據包發送接收。系統啟動后，即創建數據發送隊列與數據接收隊列，支持按照數據或指令的優先級進行隊列管理，以實現有序的文件傳輸。

圖2 文件發送與接收設計

3.4 鏈路切換模塊

發送端和接收端通過兩種通信鏈路聯通，在傳輸系統中設置傳輸鏈路優先級，優先級高的鏈路優先選用，其發生故障時，選用優先級低的鏈路。將主鏈路優先級設置為1，備用鏈路設置為2。傳輸系統通過定時ping接收端IP地址，獲取本節點至上級節點的網絡狀態，持續n1秒ping 不通接收端IP 地址時，選用備用鏈路，然后計時n2秒后切換回主鏈路。n1、n2數值大小可根據實際情況靈活設置，其中n1的設置是為避免網絡抖動造成誤判，故在傳輸系統配置文件中設置持續n1秒ping不通時才判定為主鏈路故障。

切換鏈路通過調用路由命令的方式實現。具體方式如下：如發送端為雙網卡機器，主鏈路IP地址為172.16.31.2，網關為172.16.31.254，掩碼為255.255.255.0，備用鏈路地址為192.168.1.2，網關為192.168.1.254，掩碼為255.255.255.0，接收端IP 地址為172.17.31.2。傳輸軟件在cmd 窗口中設置兩條路由命令，分別為命令1：route add 172.17.31.2 mask 255.255.255.0 172.16.31.254 和命令2： route add 172.17.31.2 mask 255.255.255.0 192.168.1.254，調用對應的路由命令可實現鏈路的選擇，即選用主鏈路時調用命令1，選用備用鏈路時調用命令2，鏈路切換示意圖如圖3所示。

圖3 鏈路切換設計

4 系統實驗結果

目前雙鏈路海洋觀測數據傳輸系統已在部分站點業務化運行。因大部分海洋站地面網已建成，且被4G 基站信號覆蓋，VPDN 相對于衛星通信資費便宜，無須布線施工，故當前兩種鏈路分別采用地面網和4G VPDN。網絡結構如圖4 所示，海洋站和海區節點的終端分別通過地面網和4G VPDN 兩種方式聯通，在兩終端分別部署數據傳輸系統，海洋站終端向海區終端實時發送數據。

圖4 網絡結構示意圖

5 總結與展望

海洋數據傳輸對海洋發展具有十分重要的意義，本文介紹了目前數據傳輸現狀，研究了一種雙鏈路海洋觀測數據傳輸系統，用以提高數據傳輸的穩定性和時效性，并以地面網和4G VPDN 為例驗證了系統的可行性。本系統數據傳輸基于IP網絡通信方式，不局限于地面網和4G VPDN 通信，VSAT 等其他IP 網絡方式均可適用，因此在實際應用中可根據實際需求和資費預算等對系統進行擴展，選擇合適的IP 網絡通信方式。例如站點不具備專線鋪設條件，且被4G 信號覆蓋時，可選用4G VPDN 和VSAT 兩種線路。本系統不適用于北斗等非IP 網絡，通信方式的選擇稍顯局限，未來將進一步研究擴展北斗等非IP 網絡方式的適用性。